HC3: Neurobiologie van autisme

Hoe gedefinieerd is de moleculaire basis van autisme?

Nauwelijks

De neurobiologische theorieën over autisme lopen erg uiteen. § Allemaal best prima onderzoeken en toch tegenstrijdig -> oorzaak lastig te pinpointen!

Wat wordt er bv gezegd?

Te veel verbindingspatronen vs te veel synapsen
Schade aan cerebellum
Sneller groeien
Dikkere frontale cortex

Hoe weten we welke genen mogelijk een rol spelen bij autisme

Genone-wide association studies (GWAS)

Autisme is ...factorieel

multi (genen en omgeving)

Waar staat ASS/ASD voor?

autism spectrum disorder

o “Autism or autism spectrum disorder (ASD) is a complex disorder in neurodevelopment that is marked by ...

difficulties in social interaction, communication, restricted interests and repetitive behavior”

MeCP2 is gelinkt aan ...

<1% van autisme

Wat zijn voorbeelden van comorbidity bij autisme?
Wat betekent dat?

o Co-morbidity met Fragile-X, Prader Willi, Duchenne

§ waarschijnlijk gemeenschappelijke onderliggende mechanismes

Waarbij spelen de genen die met autisme geassocieerd zijn vaak een rol?

corticale ontwikkeling

Welk aspect van de hersenen is mogelijk anders bij autisme?

Neuronale netwerken
-> effect op perceptie -> sociale interactie, taal, communicatie

Wat zijn de 2 soorten onderzoeken naar autisme?
Wat valt eronder?

1.ziekte-gericht/patiënt-gericht (GWAS, linkage, post-mortem, ...)
2. fundamentaal-gericht (in vivo en in vitro in muis, stamcellen in de mens, ...)

Waarom autismeonderzoek doen in de muis?

Ookal is ie veel kleiner, is er bij fundamentele structuur opmerkelijk veel overeenkomst

"humane brein is muizenbrein met grote stuk cortex erop”

Welke technieken worden gebruik voor fundamenteel onderzoek naar autisme in de mens?

induced pluripotent stem cells (iPSC):
§ Patiënt en gezonde controle, fibroblasten uit huid pakken, kweken, iPSC lines van maken, differentiëren naar corticale neuronen, drug screening, drug therapy

Hoe maak je iPSC?

§ Groeifactoren en inhibitors aan fibroblast toevoegen -> ES cel gemaakt

Wat voor neuronaals kun je maken met een iPSC?

Een hoopje corticale cellen (corticoid), maar wel maar 1 soort

Wat gebeurt er met telomeren in iPSCs?

die worden weer langer

Wat zijn de eerst stamcellen in de ontwikkeling van het brein?

§ In de neural tube, ze heten neuroepitheliale cellen (lijken op huid)

§ Ze worden radial glia? lijken op glia

Wat is de precursor van het CNS?

De neurale buis

Uit welk kiemblad ontstaat het CNS?

ectoderm

Wat is het karakter van neural crest cellen?

multipotent

Wat worden neurale crest cellen?

peripheral neurons and glia

In welk hersenblaasje wordt de cortex gevormd?

telencephalon

Waar liggen radial glia stamcellen?

Aan het ventrikel (in de ventriculaire zone)

Wat doen radial glia cellen?

Continu delen en andere stamcellen maar ook neuronen maken

Wat doen neuronen die ontstaat uit radial glia cellen?
Wat worden ze?

Ze migeren omhoog via een soort ladder (namelijk de spike van radial glia cellen);
pyramidaalcellen

Wat is radial migration?

stroom van neuronen die ontstaan uit de radial glia en omhoog migeren

Wat is tangential migration?

v Interneuronen komen vanaf de andere kant en integreren in het netwerk

Waar komen de neuronen die aan radial migration doen in uit?

De corticale plaat (wordt de cortex)

Wat is de volgorde van buiten naar binnen: corticale plate - marginal zone - subplate

De volgorde is: marginal zone -> cortical plate -> subplate

Waarin splitst de preplate?

De preplate splitst tot de marginal zone (MZ) en de subplate, doordat de cortical plate er tussenin groeit

De cortex wordt in een inside-out/outside-in manner gevormd

Hoe gebeurt dat?

inside-out (dus van binnen naar buiten);

o De jongere neuronen passeren de oudere lagen -> oudere neuronen liggen binnen -> inside-out organisatie

v Radial migration zorgt voor de ... organization van de cortex

columnar

o ... cellen -> radial glia -> deelt en wordt o.a. neuronen -> klimt omhoog -> ... oude laag

Neuroepitheliale; passeert

Wat worden de radial glia in de volwassen cortex?

astrocyten of oligodendrocyten

Waar zijn nog delende stamcellen te vinden in de volwassen muis? Zijn deze ook in de mens?

In de hippocampus;

§ In de mens niet! Eerst werd aangenomen van wel vanwege leren, maar bleek 4 jaar geleden dat dat niet zo was

Zijn radial glia cellen nog in de mens aanwezig?

o Radial glia zijn wel aanwezig in volwassen mens maar ze liggen stil! Ze zitten in de G0 fase van celcyclus, ze zijn quiescent. Vormen mogelijk tumoren in brein…

De eerste neuronen die omhoog klimmen zijn bijzonder want ...

ze trekken andere neuronen omhoog

§ Preplate splitst in (van buiten naar binnen) ...
§ Ventriculaire zone splitst in ...
§ Daarna ontstaan verschillende lagen in ...
§ Alle lagen zijn weer gespecificeerd. Alle piramidale neuronen kunnen zich weer specialiseren, dit is afhankelijk van de tijd waarin ze zich ontwikkelen

marginal zone (met cajal-retziuscellen), cortical plate en subplate;
ventriculare en subventriculaire zone (sub ligt erboven);
de cortical plate;

§ Cellen ontwikkelen tot bepaalde type neuronen, subplate (blauw in figuur), volgende lagen ... (corpus callosum, paars en groen in figuur)), volgende laag ... (geel in figuur).

o Type neuronen is ...afhankelijk

callosal; pyramidaal;

tijd

ZIjn pyramidaalcellen inhiberend of exciterend?
En interneuronen?

exciterend; inhiberend (samen vormen ze een netwerk)

§ Pyramidal neurons: formed from cortical ventricular zone via ... migration

§ Interneurons: formed from Lateral Germinal Eminence (LGE) via ... migration

radial; tangential

Welke 2 soorten amplification zijn er?

§ Horizontal amplification: Large extension of radial glia progenitors

§ Vertical amplification: Large extension of intermediate progenitors

§ Hier kan mogelijk iets misgaan bij autisme!!!

v Grote verschil muizen brein en mensen brein: .. van stamcellen

o In humane brein veel groter dan in muizenbrein. In principe stamcellen hetzelfde maar veel grote amplificatie

o Mogelijk gaat er iets mis bij ... in autisme

amplificatie; amplificatie

Welk stofje wordt uitgescheiden om cellen bij radial migration omhoog te trekken?

Reelin

Wat is Reelin? Wat doet het?

§ Reelin is a large secreted extracellular matrix glycoprotein that helps regulate processes of neuronal migration and positioning in the developing brain by controlling cell–cell interactions.

§ Besides this important role in early development, reelin continues to work in the adult brain.

· It modulates synaptic plasticity by enhancing the induction and maintenance of long-term potentiation.

· It also stimulates dendrite and dendritic spine development and regulates the continuing migration of neuroblasts generated in adult neurogenesis sites like subventricular and subgranular zones.

· It is found not only in the brain, but also in the spinal cord, blood, and other body organs and tissues.

Hoe heet een muis die Reelin mist?
Wat is zijn gedrag?

Reeler;
'reeling' (rondjes lopen)

Waar wordt Reelin in de embryonic brain expressed?

§ in Cajal-Rezius cells (marginal zone)

§ Neurons in the Reeler neocortex are aligned in an ... manner

/ § Reelin knockout muizen hebben een ... organisatie van de cortex

outside-in; outside-in

§ Reeler mice are viable despite of ...

severe cortical defects

Bij welke stoornissen/ziektebeelden is (dysfunctie van) Reeler mogelijk betrokken?

ASD, schizofrenia, mood disorders

Welk proces is aangedaan bij Reelin KO muizen?
Wat is hiervan het gevolg?

corticale migratie;

§ Reelin knockout muizen hebben een outside-in organisatie van de cortex

o Hoe gaat de cortex layering mis in Reeler muizen?

§ Normaal migreren de neuronen naar boven -> gaan tussen marginal zone en subplate zitten (die normaliter splitsen) -> nieuwe neuronen migreren over oude heen

§ Bij een reeler muis splitsen de subplaat en de marginal zone niet!!!!!

· → Neuronen geboren aan onderkant migreren naar boven, hopen bovenin op, nieuwe neuronen komen daardoor onder oude terecht! Daar door geen inside-out organisatie maar outside-in

· Dus niet gebeuren van de splitsing zorgt voor een omgekeerde layering. Dit is geassocieerd met autisme!

o Uit die split van die plaat moet dus een signaal komen dat ervoor zorgt dat de neuronen gaan migreren. Er is nog niet helemaal duidelijk wat dit is.

Hoe zijn Reelin KO hersenen functioneel gezien?

· Ze differentiëren wel goed, de muis is oké, maar als je netwerken gat meten zie je wel grote verschillen

· Diktes zijn niet omgekeerd

· Enorm plastisch brein

· wat op e14 geboren wordt, wordt nog steeds dan geboren, maar de locatie is gewoon anders

· Niet dodelijk vanwege plasticiteit, juiste connecties worden wel aangemaakt

· Veel verschillende aandoeningen waarbij die twee platen niet goed splitten bij de mens, kunnen lijken op autisme, daarbij zie je ook (in een bepaalde mate) outside-in organisatie

Wat heeft Reelin met autisme te maken?

Reelin KO zorgt voor omgekeerde layering, en layering fouten zijn geassocieerd met autisme

o Naast amplificatie van stamcelen kan het ook misgaan bij...

synaptogenese en pruning

Wat is synaptogenese?

· Ontstaan van synapsen in hersen- en zenuwweefsel

· Onder invloed van groeifactoren en externe condities

· Piek tijdens vroege hersenontwikkeling, gecontinueerd in volwassen

· Mens: tijdens de geboorte ~2500 synapsen per hersencel

· Na drie jaar ~ 15.000 synapsen per hersencel

Wat is pruning?

· Eliminatie van synaptische verbindingen in hersen en zenuwweefsel

· Meestal het gevolg van het niet ontstaan van de juiste verbindingen

· Mens (adult): ~ 7000 synapsen per hersence

· In autisme zou het hier mis kunnen gaan

· Apoptosegenen betrokken in GWAS studies

Wat heeft Calderon de Anda et al. (2012) onderzocht?

Fundamentaal onderzoek naar TOAK2 in autisme

Waarom is Calderon de Anda TOAK2 gaan onderzoeken?

TOAK2 bleek uit GWAS studies met autisme geassocieerd te zijn (o Snps in TAOK2 gevonden in GWAS studie bij autisme (ziekte/patient-gericht onderzoek))

Waarbij speelt TOAK2 een rol?

aanmaak van dendrieten

Waarbij speelt Sema3A een rol?

De orieëntatie van dendrieten via een Sema3A-gradient (veel bovenin, weinig onderin);

§ Sema3A-signaleringsroute is belangrijk voor een correcte migratie en axonale guidance van pyramidale neuronen in de cortex

Is Sema3A een chemoattractant of een chemorepulsant?

· een chemo-attractant voor apicale dendrieten van pyramidale neuronen

· een chemo-repulsant voor basale dendrieten en axonen van pyramidale neuronen

o Dendrieten die aan de onderkant tevoorschijn komen worden afgestoten naar onderen

§ Pyramidale neuronen hebben ... naar beneden en ...(vooral) aan bovenkant

axon; dendrieten

Waaraain bindt Sema3A? Wat is hiervan het gevolg?

§ Sema3A wordt door cortex uitgescheiden. Sema variaties binden op allerlei receptoren die cellen tot expressie brengen aan de buiten kant van de cel. Sema3A bindt op een combinatie van receptoren, Neuropilin en PlxnA. Die twee gaan een interactie aan en vervolgens gaat er in de cel een signaling pathway aan. Transcriptie programma’s gaan aan, eiwitten worden gevormd/afgebroken. Dus het is heel belangrijk in welke gradiënt een cel zich bevindt en welke receptoren hij tot expressie brengt

Waar komt TAOK2 tot expressie?

Calderon de Anda toonde aan: TAOK2 komt tot expressie in de growth cones van corticale neuronen gelegen in de bovenste lagen van de cortex

Hoe wordt TAOK2 actief?

Moet gefosforyleerd worden om actief te kunnen worden. Komt laat in de embryogenese tot expressie.

o Wat gebeurt er wanneer TAOK2 wordt uitgeschakeld in vitro? Hoe werd dit onderzocht?

Neuronen werden gekweekt en in de ene werd TAOK2 uitschakeld dmv shRNA
Resultaat: formatie van dendrieten sterk verminderd

Wat gebeurt er als je TAOK2 uitschakelt met shRNA in de muis en dan menselijke TAOK2 inspuit?

Formatie van dendrieten want muizen anti-TAOK2-shRNA valt mensen-TAOK2 niet aan

Wat gebeurt er bij overexpressie van TAOK2 in het experiment?

Nog meer dendrieten

Zijn in vitro apicale en basale dendieten te onderscheiden?

Nee, § in vitro is er geen ‘normale’ cortex-structuur en dus geen apicale en basale dendrieten

o Wat gebeurt er wanneer TAOK2 wordt uitgeschakeld in vivo? Hoe werd dit onderzocht?

§ Gebruikte technieken: verlagen en verhogen van TAOK2 genexpressie in vivo door in utero electroporatie (siRNA injecteren met stroomschoot)

-> dendrietenstructuur is helemaal weg (basaal), apicale dendrieten zijn weg, wat je in vitro ziet zie je nu ook in vivo

· Toak2 in overexpressie -> heel veel dendrieten, geëxplodeerd

Waren de resultaten van TOAK2 in vivo en in vitro uitschakelen hetzelfde?

Ja: § ook in vivo is TAOK2 belangrijk voor dendriet-formatie, voornamelijk basale dendrieten zijn aangedaan,

uitschakelen -> geen gendrieten

overexpressie -> veel dendrieten

Beschrijf de pathway waarin TAOK2 en Sema3A werken

§ Cel brengt toak2 tot expressie binnenin, NRP1 en PLXA4 zitten op membraan -> sema3a bindt aan die receptoren -> toak2 bindt aan NRP1 -> wordt geactiveerd → signalering pathway tot expresse (c-Jun-kinase (JNK) pathway!!) -> belangrijk voor vorming en oriëntatie van basale dendrieten

Gaat GWAS naar fundamenteel onderzoek of fundamenteel naar GWAS onderzoek?

Beide richtingen op, een rondje
§ Gwas -> fundamenteel onderzoek in vivo in vitra -> jnk -> weer terug bij GWAS, of fundamenteel. Cirkel!

§ TAOK2 is geïdentificeerd als een ...-gen

§ TAOK2 is belangrijk voor de ... in corticale neuronen in de corticale plaat (post-migratie)

§ Dysfunctie van TAOK2 leidt tot ...

§ Waarschijnlijk leidt dysfunctie van TAOK2 tot ... in de zich ontwikkelende cortex

§ Meerdere studies verbinden ... van in de cortex met het ontstaan van autisme (ASD)

ASD;

vorming van basale dendrieten;

geringe aanmaak van basale dendrieten;

verminderde netwerkformatie;

hypoconnectiviteit